Seminararbeit der Oberstufe

Abiturjahrgang 2010/2012

Kurs: W05Ph

Kursleiter: Frau Honal

Verfasser: Katrin Schicker

Thema: Das Planetensystem Ypsilon Andromedae

Abgabetermin: 08.11.2011

Note: ________________________

Punkte: ________________________

Dem Direktorat vorgelegt am: ________________________

Punkte eingetragen am: ________________________

Unterschrift des Kursleiters: ________________________

Katrin Schicker

Das Planetensystem Ypsilon Andromedae

Das Planetensystem Ypsilon Andromedae

1. Betrachtung eines Planetensystems

2. Das Planetensystem Ypsilon Andromedae

2.1 Charakterisierung des Ypsilon Andromedae-Systems

2.1.1 Definition Planetensystem

2.1.2 Das Ypsilon Andromedae-System

2.1.3 Lage

2.2 Entdeckungsgeschichte

2.3 Elemente des Systems

2.3.1 Sterne

2.3.1.1 Ypsilon Andromedae A

2.3.1.2 Ypsilon Andromedae B

2.3.2 Planeten

2.3.2.1 Typifizierung der Planetenumlaufbahnen

2.3.2.2 Ypsilon Andromedae d

2.3.2.3 Ypsilon Andromedae c

2.3.2.4 Ypsilon Andromedae b

2.4 Am Rande des Chaos

3. Komplexität der Astronomie

4. Literaturverzeichnis

4.1 Zeitschriften / Bücher

4.2 Internetadressen

5. Abbildungsverzeichnis

6. Eidesstattliche Erklärung

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1. Betrachtung eines Planetensystems

Über die uralte und stets wiederkehrende Frage nach außerirdischem Leben auf fremden

Planeten zerbrachen sich schon viele Menschen den Kopf. Die vielen Science-Fiction-Serien,

insbesondere die Entdeckungsreisen des Raumschiffs ,,Enterprise“, die seit 1966 Millionen

von Zuschauern fesseln, greifen diese auf.

Die berühmten Anfangsworte: ,,Der Weltraum, unendliche Weiten […], dies sind die

Abenteuer des […] Raumschiffs Enterprise, das viele Lichtjahre von der Erde entfernt

unterwegs ist um fremde Welten zu entdecken, unbekannte Lebensformen und fremde

Zivilisationen.“1 hat wohl jeder schon einmal gehört. Doch ist dieses Vorhaben realistisch?

Die naheliegendste Idee ist, nach einem System zu suchen, das dem unseren ähnlich ist und

somit die Voraussetzungen für ein Leben nach unseren Vorstellungen und Kenntnissen bietet.

In diesem Zusammenhang wurde meine Aufmerksamkeit auf das Ypsilon Andromeda-System

gelenkt, das noch vor 10 Jahren ,,als beste extrasolare Entsprechung zu unserem

Sonnensystem“2 galt, wie es der Astronom F. Freistetter 2010 formulierte. Es ist eines der

meist untersuchten Exoplanetensysteme3 und mit dieser Arbeit will ich die bisherigen

Erkenntnisse zusammenfassen.

1 http://www.startrekfans.de/star-trek-fans/the-next-generation-intro-german/ 2 http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2010/05/wer-hat-am-planetensystem-von-upsilon-andromedae-herumgespielt.php 3 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28

4

2. Das Planetensystem Ypsilon Andromedae

2.1 Charakterisierung des Ypsilon Andromedae-Systems

2.1.1 Definition Planetensystem

Materie im Weltall ist nicht gleichmäßig verteilt, sondern bildet Galaxien und Sternhaufen.

Diese wiederum gliedern sich unter anderem in Planetensysteme. Doch was ist das? Ein

Planetensystem besteht aus mindestens einem Zentralgestirn, um welches Planeten und

weitere Satelliten, durch Gravitation gebunden, kreisen.4 In unserem Planetensystem ist dieses

Zentralgestirn die Sonne. Es ist jedoch auch möglich, dass zwei Zentralgestirne vorhanden

sind, wie in dem System Ypsilon Andromedae, welches hier noch genauer erläutert werden

wird. Forscher fanden sogar Hinweise, dass Planetensysteme mit drei Sternen existieren

könnten. Proxima Centauri beispielsweise, der sonnennächste Stern, sei ,,‘mit sehr, sehr hoher

Wahrscheinlichkeit‘ durch die Schwerkraft an die beiden Sterne von Alpha Centauri

gebunden“ 5, wie die beiden Forscher Jeremy Wertheimer und Gregory Laughlin von der

University of California herausfanden.

Die Kraft, die zur Anhäufung von Materie im Weltraum führt, ist die Gravitation oder

Schwerkraft. Sie ist eine der vier6 Grundkräfte der Physik und bedingt, dass sich schwere

Massen gegenseitig anziehen. Es ist die Kraft, die Planeten auf ihren Bahnen um das

Zentralgestirn hält. Jedoch ist ,,das Wesen der Gravitation […] bis heute noch nicht endgültig

geklärt“.7

Die ersten exosolaren Planeten und damit das erste fremde Planetensystem wurden erst im

Jahr 1994, zwei Jahre nach ihrem Fund, bewiesen. Sie kreisen um den Stern PSR 1257+12.8

Seitdem wurden laufend weitere Planetensysteme neben unserem Sonnensystem entdeckt.

Eines dieser Planetensysteme ist das 1999 entdeckte um den Stern Ypsilon Andromedae A.

4 http://encyclopedia2.thefreedictionary.com/Planetary+system 5 ASTRONOMIE HEUTE, Juli / August (2007), S. 48 6 Neuste Forschungsergebnisse deuten eventuell sogar auf eine fünfte Grundkraft hin. http://www.sueddeutsche.de/wissen/kernphysik-eine-sensation-in-spe-1.1082819 7 http://www.wissen.de/wde/generator/wissen/ressorts/technik/index,page=1113510.html 8 https://www.ads.tuwien.ac.at/publications/bib/pdf/chwatal_06.pdf, S.1

5

2.1.2 Das Ypsilon Andromedae-System

Wie bereits erwähnt, ist dieses Planetensystem ein Doppelsternsystem. Die leuchtstärkere

Komponente ist ein weißlich-gelber Fixstern namens Ypsilon Andromedae A (ʋ And A), sein

Begleiter ist ein roter Zwerg (Ypsilon Andromedae B). Ypsilon Andromedae A wird von drei

riesigen Gasplaneten umkreist. ,,Zudem fanden die Forscher Hinweise darauf, dass ein vierter

Planet den Stern umrundet.“9,10 Die Umlaufbahnen der Planeten sind sehr exzentrisch. Darauf

wird später in dieser Arbeit aber noch genauer eingegangen. Da erst nach der Namensgebung

beobachtet wurde, dass es sich um ein Doppelsternsystem handelt, sind das System, die

Planeten und der zweite Stern nun nach dem größeren der beiden Sterne benannt.

Ypsilon Andromedae A gilt als der erste bekannte sonnenähnliche Stern (Hauptreihenstern;

vergleiche 2.3.1.1) mit einem Mehrplanetensystem.11 Dieses wird hauptsächlich mit dem

Hubble Space Telescope (Hubble-Weltraumteleskop) beobachtet, ferner mit erdgebundenen

Teleskopen.9

Um Daten über die Sterne und Planeten in astronomischen Tabellen nachzulesen, muss man

sich bewusst sein, dass diese dort meistens nur mit Nummern abgekürzt werden.

Beispielsweise lässt sich der Fixstern Ypsilon Andromeda im Hipparcos-Katalog, wo präzise

Daten des Satelliten Hipparcos stehen, unter HIP 7513 finden.12

2.1.3 Lage

Das Planetensystem Ypsilon Andromedae befindet sich in einer Entfernung von 44

Lichtjahren zur Sonne. Seine Koordinaten betragen RA: 1h 36 min 48 s und Dekl.: +41° 24‘

20‘‘.13

RA steht für die Rektaszension (α), also den Winkel zwischen dem Frühlingspunkt

(Schnittpunkt von Himmelsäquator und Ekliptik) und dem Punkt des Himmelsäquators, an

welchem das System, senkrecht zum Himmeläquator verschoben, diesen schneidet. Der

Winkel ist in h, min und sec eingeteilt und wird dementsprechend angegeben.

9 https://www.spektrumdirekt.de/artikel/1034364&_z=798889 10 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1216 11 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 12 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1204 13 http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-5?-out.add=.&-source=I/311/hip2&HIP=7513

6

Dekl. ist die Abkürzung für Deklination (δ). Diese bezeichnet den Winkel, um den entlang

des Stundenkreises (Kreis, welcher durch das System, sowie Himmelsnord- und Südpol

geht)14 verschoben werden muss, bis der Himmelsäquator erreicht ist, um die Rektaszension

zu bestimmen.

Ypsilon Andromedae befindet sich im Sternbild Andromeda, welches in unseren Breiten von

Juni bis Januar sichtbar ist.15 Die Andromeda besteht aus vier Sternen (Sirrah, δ, Mirach und

Almach). Man findet das Sternbild, in dem man das Quadrat des Pegasus (Sirrah ist in beiden

Sternbildern vorhanden) in Richtung Perseus und Cassiopeia verlängert.

14 http://wiki.astro.com/astrowiki/de/Stundenkreis 15 http://www.cfa.harvard.edu/afoe/And.html

Abbildung 3: Sternbild Andromeda

Abbildung 1: Himmelskoordinaten am Himmelsäquator Abbildung 2: Himmelkoordinaten vom Beobachter aus

Stundenkreis

7

Abbildung 4 zeigt den Blick in den Nachthimmel an einen frühen Novemberabend in unseren

Breiten. Das Planetensystem, hier abgekürzt mit Ypsilon And, lässt sich etwas westlich der

Verbindungslinie der zwei nördlichen Sterne Mirach und Almach finden. (vergleiche Abb. 3)

Außerdem fällt einem auf dem Bild der Andromedanebel M31 ins Auge. Dieser befindet sich

etwas westlich des Systems innerhalb des Sternbildes. Der Andromedanebel ist eine

Spiralgalaxie, die nähste Galaxie zur Milchstraße (also unserer Galaxie). Im Vergleich zum

Sternbild und Ypsilon Andromedae, welche sich in unserer Galaxie befinden, ist er viel weiter

entfernt, circa 2,2 · 106LJ.16

16 http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/physik/513

Abbildung 4: Ypsilon Andromedae am Nachthimmel

8

Hier kann man gut sehen, dass eine scheinbare Zusammengehörigkeit auf Grund der Sicht

von der Erde und der Namensgebung nichts über eine tatsächliche astronomische

Zusammengehörigkeit aussagt.

2.2 Entdeckungsgeschichte

Es ist noch nicht lange her, seitdem man entdeckte, dass Ypsilon Andromedae von exosolaren

Planeten umlaufen wird. 1996 fanden Paul Buttler und Geoff Marcy aufgrund

hochpräzisierter Radialgeschwindigkeitsmessungen Hinweise auf Planeten.17

Wegen der gegenseitigen Anziehung durch die Gravitation wird ein Stern, wenn er von einem

Planeten umrundet wird, immer etwas hin- und hergezogen. Der sogenannte Doppler-Effekt,

das heißt die Veränderung der Frequenz beim sich aufeinander zu / voneinander weg

Bewegen von Signalsender und –empfänger, bewirkt eine relative Änderung im Spektrum des

Sterns (abwechselnde Rot- und Blauverschiebung).18 Diese relative Änderung ist vergleichbar

mit den sich deutlich ändernden Geräuschen eines Martinshorns, wenn ein Krankenwagen an

einem vorbei fährt. Diese Änderungen werden bei der Radialgeschwindigkeitsmessung

gemessen.

1999 wurde diese Entdeckung sowie die zweier weiterer Planeten um Ypsilon Andromedae

von Wissenschaftlern des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Massachusetts

bestätigt. Diese ,,sensationelle Entdeckung“ führte zu ,,große[m] Aufruhr“ und wurde sogar

als die ,,bedeutendste astronomische Entdeckung der letzten Jahrzehnte“ 17 gehandhabt. Keine

der damals bekannten Theorien konnte die Entstehung von solch gewaltigen Planeten

erklären. Die Astronomen hielten sogar Leben auf den Planeten für möglich.17

2002 wurde erkannt, dass es sich bei dem Planetensystem eigentlich um ein

Doppelsternsystem handelt.19

Schon früh wurde die hohe Exzentrizität der Planetenbahnen (Planeten bewegen sich auf einer

stark ellipsenförmigen, statt runden Bahn) bemerkt. Die Masse der Planeten und die Neigung

der Bahnebenen blieb jedoch noch etliche Zeit ein Rätsel für die Wissenschaftler. Es wurde

versucht, anhand der Daten der Radialgeschwindigkeitsmessungen Mindestmassen der

Planeten zu berechnen. Dabei wurden jedoch Grundvoraussetzungen angenommen, die sich 17 http://www.wissenschaft.de/wissenschaft/news/160594.html 18 http://www.avgoe.de/StarChild/DOCS/STARCH00/questions/question10.html 19 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1211

9

als falsch herausstellten, beispielsweise Planetenumlaufbahnen (Orbits), die in der nahezu

gleichen Ebene liegen. Bereits im Jahr 2000 veröffentlichten E.J. Rivera und J.J. Lissauer,

dass diese Massen viel zu klein seien.20 Diese Aussage wurde auf Grund der Beobachtungen

mit dem Teleskop Hubble von 2001 bis 2006 bestätigt.21

2010 veröffentlichten B. McArthur und ihre Kollegen einen Artikel22 über ihre Datenanalyse

von astrometrischen Daten und spektroskopischen Messungen aus den letzten 14 Jahren.

Daraus ergab sich, dass die Massen der Planeten erneut angepasst werden mussten und sich

als wesentliche neue Erkenntnis zeigte, dass, entgegen früherer Annahmen, der Planet

Ypsilon Andromedae c schwerer ist als d. Dies hat erhebliche Auswirkungen auf die

Stabilitätsdiskussionen des Systems. McArthur schrieb: ,,Our astrometric measurements have

shown that it is planet c […] that is likely the more massive planet […] thus altering the

foundation for the theories used to explain the system”.23 Außerdem erkannten sie die große

Inklination, das heißt den großen Neigungswinkel zwischen den Bahnebenen der Planeten

Ypsilon Andromedae d und c. Somit gelang es ,,die genaue Architektur des Ypsilon-

Andromedae-Systems zu entschlüsseln“21. Die Daten gaben desweiteren Hinweise auf einen

vierten Planeten.

2.3 Elemente des Systems

2.3.1 Sterne

2.3.1.1 Ypsilon Andromedae A

Ypsilon Andromedae A ist der größere und leuchtkräftigere der beiden Sterne. Die

Entfernung zur Erde beträgt 13,6 pc.20

Nach J. Kummer wiegt er 1,2 Sonnenmassen24 (1,2 * 1,98x1030 kg = 2,4x1030 kg) 25. Diese

Angabe ist aber anscheinend nicht genau bestimmt, denn in einer anderen Quelle ist

beispielsweise von 1,18 bis 1,38 Sonnenmassen die Rede.26 Die Angaben unterscheiden sich

von Quelle zu Quelle und jüngere Daten bringen Veränderungen mit sich und bezeugen damit

die Abhängigkeit der Ergebnisse von der Messmethode beziehungsweise von der 20 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1203 21 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 22 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1203-1220 23 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1219 24 Kummer, J., Besondere Sterne: Astronomische Kuriositäten, Norderstedt 2006, S.52 25 http://www.leifiphysik.de/web_ph11/grundwissen/10_daten/daten.htm 26 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1205, Table 2

10

Interpretation.

Der Radius des Sterns beträgt um die 1,6 Sonnenradien (1,6 * 6,96x105 km = 1,1x106 km,

also etwas mehr als eine Million Kilometer).27

Seine scheinbare Helligkeit, das heißt, wie hell uns der Stern von der Erde aus erscheint, ist

4,10 mag28 und er hat die 3,650-fache Leuchtkraft der Sonne.29

Wenn das Licht eines Sterns mithilfe eines Prismas zerlegt wird, entsteht ein für den Stern

charakteristisches Spektrum. Im kontinuierlichen Spektrum entstehen schwarze Linien,

sogenannte Absorptionslinien, an den Stellen, an denen das Licht von den Gasen des Sterns

absorbiert wird. Somit können Aussagen über die den Stern umgebenden Gase und die

Temperatur getroffen werden.

Die Klassifikation des Sterns Ypsilon Andromedae A ist F8 V.30 Bei Sternen dieser Art

kommen das Element Calcium (Ca II) und andere Metalle vor. Die Temperatur eines Sterns

dieser Spektralklasse liegt zwischen 6000 und 7400 K.31 Die Temperaturangaben von Ypsilon

Andromedae A variieren in verschiedenen Quellen zwischen 6027 bis 6334 K32, sie liegen

aber alle genau in dem Bereich des Typs F. Außerdem bedeutet F, dass zugehörige Sterne

weiß-gelb sind. Die Ziffer 8 ist eine genauere Unterteilung der Klasse F.

Anhand des Spektraltyps und der absoluten Helligkeit kann ein Stern im Hertzsprung-Russell-

Diagramm einsortiert werden. Dort liegt Ypsilon Andromedae A auf der mittleren

Diagonalen, der Hauptreihe, auf der sich die Mehrheit aller Sterne befindet. Deshalb steht

hinter der Bezeichnung des Spektraltyps die Leuchtkraftklasse V. Hauptreihensterne werden

auch als Zwerge bezeichnet. Trotzdem können sie ganz unterschiedliche Größen haben.

27 http://www.leifiphysik.de/web_ph11/grundwissen/10_daten/daten.htm 28 http://vizier.u-strasbg.fr/viz-bin/VizieR-5?-out.add=.&-source=I/239/hip_main&HIP=7513 29 Kummer, Besondere Sterne, S.52 30 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 31 http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Spektralklasse.html 32 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1205, Table 1

Abbildung 5: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps F

11

Auch die Sonne gehört zu den Hauptreihensternen.33 Sie ist mit 4,6 Milliarden Jahren deutlich

älter als der Stern Ypsilon Andromedae A, für welchen etwa 3 Milliarden Jahre angegeben

werden.34

2.3.1.2 Ypsilon Andromedae B

Ypsilon Andromedae B ist der Begleitstern von Ypsilon Andromedae A in einer Entfernung

von mindestens 750 AE.35 Für eine Umrundung benötigt er 20000 Jahre. 36

Diese Aussage, die 2002 von P. Lowrance und seinen Kollegen getroffen wurde, wurde oft

diskutiert. An diesem Stern ist die Schwierigkeit von astronomischen Messungen und der

Interpretation dieser Daten deutlich sichtbar. So wurde das Doppelsternsystem noch im selben

Jahr angezweifelt und Ypsilon Andromedae B nur als Hintergrundobjekt bezeichnet. 2004

33 http://www.planeten.ch/Hauptreihenstern 34 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1203 35 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 36 Kummer, Besondere Sterne, S.52

Abbildung 6: Hertzsprung-Russell-Diagramm

12

jedoch wurde das System in der Studie von A. Eggenberger und Kollegen über

Mehrsternsysteme mitbetrachtet. Zwei Jahre später wiederum erklärten D. Raghavan und

seine Kollegen, dass Ypsilon Andromedae A und B gravitativ nicht gebunden seien. Der

aktuelle Stand nach B. McArthur und Kollegen, im bereits erwähnten Artikel des

Astrophysical Journals erneut berechnet, geht von einer gravitativen Zusammengehörigkeit

aus.37

Die Klassifikation von Ypsilon Andromedae B ist M4,5 V.38 Das bedeutet, dass in der

Atmosphäre des Sterns viel Titanoxid vorkommt und die Temperatur zwischen 2000 und

3500 K liegt.39

Ypsilon Andromedae B ist den Roten Zwergen zuzuordnen, dem häufigsten Sterntyp im

Universum. Rote Zwerge sind Hauptreihensterne, deshalb auch wieder die Bezeichnung V.

Die rote Farbe kommt aufgrund der relativ niedrigen Temperatur zustande. Sterne dieses Typs

leben sehr lange. Sie sind die kleinsten aktiven Sterne. Wegen ihrer kleinen Größe sind sie

jedoch nur mit Teleskopen beobachtbar.40

Dies gilt auch für Ypsilon Andromedae B. Seine scheinbare Helligkeit ist 13,8 mag.41 Sterne

sind mit bloßem Auge jedoch nur bis zu einer Helligkeit von 6 mag sichtbar.

Die Masse des Roten Zwergs beträgt 0,2 Sonnenmassen38 (0,2 * 1,98x1030 kg = 4,0x1029 kg).

Insgesamt ist der Stern noch ziemlich unerforscht und es gibt noch viele nicht geklärte

Details. So erklärte F. Benedict vom McDonald Observatory im Juni 2010: ,,Wir wissen

nichts über seinen Orbit".42 Dementsprechend unbekannt sind auch noch seine Auswirkungen

auf die Planeten, die eigentlich nur den großen Stern Ypsilon Andromedae A umrunden.

37 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1211 38 Kummer, Besondere Sterne, S.52 39 http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/Spektralklasse.html 40 Kummer, Besondere Sterne, S.13 41 THE ASTROPHISICAL JOURNAL 715 (2010), S.1210 42 http://www.astronews.com/news/artikel/2010/06/1006-001.shtml

Abbildung 7: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps M

13

2.3.2 Planeten

2.3.2.1 Typifizierung der Planetenumlaufbahnen

Planeten in Doppelsternsystemen können ihre Sterne auf unterschiedliche Arten umrunden.

Diese werden in zwei Typen unterteilt. Beim P-Typ bilden die zwei Sterne das Zentrum und

werden von den Planeten umrundet, als wären sie nur ein Stern. Beim S-Typ hingegen wird

nur einer der beiden Sterne umrundet. Der zweite Stern ist lediglich gravitativ gebunden, hat

aber Auswirkungen auf die Ellipsenform der Umlaufbahnen. So herrscht in Systemen des S-

Typs in der Regel eine größere Exzentrizität.43 Das Ypsilon Andromedae-System ist, wie

bereits beschrieben, ein Beispiel für diesen Typ, da nur der Hauptstern Ypsilon Andromedae

A von den Planeten umkreist wird.

2.3.2.2 Ypsilon Andromedae d

Der Planet, der (von den bisher bekannten) am weitesten vom Zentralstern Ypsilon

Andromedae A entfernt ist, wird Ypsilon Andromedae d genannt. Die Entfernung zwischen

den beiden Himmelskörpern beträgt ca. 2,55 AE. Der Planet braucht 1302,61 Tage (das sind

etwas mehr als 3 ½ Erdjahre) für eine Umrundung.44 Die Umlaufbahn weist eine Exzentrizität

in dem Bereich 0,27 bis 0,32 auf.45 Das bedeutet, dass die Bahn keine exakte Kreisform

aufweist, sondern elliptisch ist. Je höher der Wert, desto langgestreckter ist die Ellipse.

Ypsilon Andromedae d hat eine Masse von ca. 10,19 Jupitermassen (10,19 * 1,8986x1026 kg

= 1,935x1027 kg)46.47 Hier stellt sich jedoch die Frage, wie richtig diese Angaben sind

beziehungsweise welche Veränderungen sich noch bei weiteren Messungen ergeben könnten,

denn noch vor ein paar Jahren hieß es zum Beispiel, die Masse des Planeten betrage nur 4,7

Jupitermassen.44

Auf Grund seiner hohen Masse wird angenommen, dass es sich um einen Gasplaneten oder

jovianischen Planeten handelt.48 Im Vergleich zu erdähnlichen Felsplaneten besitzen diese

keine feste Oberfläche, manche haben aber einen festen Kern aus Gestein. In einem Gasplanet

43 Proceedings of the First European Workshop on Exo-Astrobiology 16 – 19 September (2002), S. 547 44 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=d 45 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1216 46 http://www.planeten.ch/Jupitermasse 47 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1217, Table 16 48 http://de.inforapid.org/index.php5?search=Ypsilon%20Andromedae%20d

14

herrscht so hoher Druck, dass die Gase (Wasserstoff, Helium, teilweise auch Ammoniak und

Methan) größtenteils flüssig vorliegen.49 Im europäischen Planetenregister ,,Enzyklopädie der

extrasolaren Planeten“ steht jedoch unter Ypsilon Andromedae d lediglich ,,No molecule

detected“50, so dass nur Vermutungen angestellt werden können, dass die Zusammensetzung

des Planeten denen anderer Gasriesen entspricht. Genaueres ist noch nicht bekannt.

2.3.2.3 Ypsilon Andromedae c

Ypsilon Andromedae c ist der dem Stern Ypsilon Andromedae A am zweit-nächsten gelegene

Planet. Die Entfernung sind 0,861 AE. Für eine Umrundung braucht der Planet 237,7 Tage.51

Seine Exzentrizität beträgt 0,239 und er wiegt 14,57 Jupitermassen (14,57 * 1,8986x1026 kg =

2,766x1027 kg).52 Auf Grund der hohen Masse wird auch bei diesem Planeten vermutet, dass

es sich um einen Gasplaneten handelt.53 Die Forschung hierzu hat jedoch, wie auch bei

Ypsilon Andromedae d, noch keine genauen Ergebnisse geliefert. So taucht auch bei diesem

Planeten im europäischen Planetenregister der Satz ,,No molecule detected“51 auf.

2.3.2.4 Ypsilon Andromedae b

Der dritte bewiesene Planet um Ypsilon Andromedae A, dem Stern am nächsten, ist Ypsilon

Andromedae b. Die Entfernung von 0,059AE (weniger als 9 Mio. km) ist äußerst gering.54

Zum Vergleich: der Abstand zwischen Sonne und Merkur sind ca. 58 Mio. km.55 So braucht

Ypsilon Andromedae b für eine Umrundung nur 4,617136 Tage.54 Die Exzentrizität seiner

Umlaufbahn beträgt 0,01.52

Die Masse kann wegen seiner Nähe zum Stern nicht genau bestimmt werden, jedoch wird auf

Grund der Radialgeschwindigkeitsmethode mit mindestens 0,7 Jupitermassen

49 http://www.planeten.ch/Gasriese 50 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=d 51 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=c 52 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1217, Table 16 53 http://de.inforapid.org/index.php5?search=Ypsilon%20Andromedae%20c 54 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=b 55 http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Exoplanet__Heisser_Fleck_an_falscher_Stelle 1771015587175.html

15

(0,7 * 1,8986x1026 kg = 1,3x1026 kg) gerechnet.56 Eine andere Messmethode, die dynamische

Analyse, ergibt als mittlere Masse 1,7 Jupitermassen (1,7 * 1,8986x1026 kg = 3,2x1026 kg).57

Der Planet rotiert, ähnlich wie unser Mond, innerhalb einer Sternumrundung genau einmal um

seine eigene Achse, so dass er dem Stern immer dieselbe Seite zuweist. So gibt es eine Tag-

und eine Nachtseite mit sehr unterschiedlichen Bedingungen.

Bei diesem Planeten handelt es sich um einen heißen Jupiter. Das ist ein jupiterähnlicher

Gasplanet, meist aus Gasen wie Wasser, Methan, Kohlenstoffmonoxid und

Kohlenstoffdioxid. Ob dies auch bei Ypsilon Andromedae b so ist bleibt fraglich, da auch bei

diesem Planeten im europäischen Planetenregister ,,No molecule detected“58 steht. Wegen

ihrer geringen Entfernung zum Stern weisen heiße Jupiter eine sehr hohe Temperatur auf.59

Die Tagseite von Ypsilon Andromedae b ist 1400 – 1650°C heiß, die Nachtseite jedoch nur

-20 – 230°C kalt.60

Der heißeste Fleck, der sogenannte ,,Hot Spot“, befindet sich aber nicht an dem dem Stern am

nächsten gelegenen Punkt, sondern ist um 80° verschoben. Schon früher wurden leichte

Verschiebungen der Temperaturmaxima auf heißen Jupitern beobachtet, die jedoch ,,bei

Weitem nicht so groß wie auf Ypsilon Andromedae b“59 waren.

Die Erklärungen sind bis jetzt nur Spekulationen. Die erste Theorie meint, dass durch

überschallschnelle Winde Stoßwellen auf der Oberfläche ausgelöst werden könnten, die diese

aufheizen.59 Durch diese Theorie werden kleinere Verschiebungen der Temperaturmaxima

56 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 57 THE ASTROPHYSICAL JOURNAL 715 (2010), S.1216 58 http://exoplanet.eu/planet.php?p1=Ups+And&p2=b 59 http://www.astronomie-heute.de/artikel/1052125&_z=798889 60 http://www.netzeitung.de/spezial/weltraum/446150.html

Abbildung 8: heißer Fleck an falscher Stelle

16

auf anderen heißen Jupitern erklärt. Forscher befürchten jedoch, dass die Abweichung zu groß

dafür sei.

Eine andere Theorie besagt, dass die Verschiebung durch magnetische Prozesse zwischen

Stern und Planet zustande kommt.

Hier zeigt sich ein weiterer Punkt, welches das Ypsilon Andromedae-System für

Wissenschaftler so interessant macht, nämlich dass herkömmliche Theorien erweitert oder

neue gefunden werden müssen. So betont I. Crossfield von der University of California: ,,Es

ist klar, dass wir noch viel weniger über die energetischen Verhältnisse in den Atmosphären

heißer Jupiter verstehen, als wir bislang gedacht haben.“61

2.4 Am Rande des Chaos

61 http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Exoplanet__Heisser_Fleck_an_falscher_Stelle 1771015587175.html

Abbildung 9: Vergleich der Planetenumlaufbahnen

17

Vergleicht man die Planetenbahnen des Ypsilon Andromedae-Systems mit denen unseres

Sonnensystems, so fällt sofort die unterschiedliche Neigung der Bahnen zueinander auf.

Während die Bahnen in unserem Sonnensystem nahezu koplanar verlaufen, mit der

maximalen Abweichung von 7° (Merkurbahn gegen Ekliptik), beträgt die Inklination von

Ypsilon Andromedae d gegen Ypsilon Andromedae c 30°. Hinsichtlich der herkömmlichen

Annahme, dass Planetensysteme nach ihrer Entstehung beinahe koplanar bleiben, war dies

eine sehr überraschende Entdeckung.62 Diese Abweichung von der erwarteten Norm führte zu

der Aussage: ,,Ypsilon Andromedae, ein chaotisches Planetensystem“63. Die Planeten ziehen

sich bei 30° gegenseitig so stark an, dass sie kurz davor sind, sich gegenseitig aus dem System

zu werfen und stehen damit ,,an der Grenze zwischen Stabilität und Chaos“63.64

Ein weiterer Aspekt, der die Frage nach der Stabilität aufwirft, ist die große Exzentrizität von

Ypsilon Andromedae d.

Über die Entstehung der unerwarteten Planetenbahnen gibt es verschiedene Theorien. Zum

Ersten könnten diese durch Wechselwirkungen zwischen den Planeten während einer

planetaren Migration entstanden sein.

Eine weitere Möglichkeit ist ein äußerer Einfluss. Derzeit ist Ypsilon Andromedae B zwar zu

weit entfernt für einen derartigen Einfluss auf das innere Planetensystem, jedoch besteht die

Möglichkeit, dass der Stern ebenfalls eine sehr exzentrische Umlaufbahn hat, so dass er den

Planeten zeitweise nahe genug kommen würde. Seitdem die Massenverhältnisse der Planeten

neu berechnet wurden, mit einem deutlich anderen Ergebnis als davor angenommen (Ypsilon

Andromedae c ist schwerer als Ypsilon Andromedae d, vergleiche Kapitel 2.2), wird jedoch

eine externe Störquelle nicht mehr als nötig, aber trotzdem für möglich, gehalten, um die hohe

Exzentrizität und Inklination von Ypsilon Andromedae d zu erklären.62

Außerdem hätten gravitative Wechselwirkungen zum Herausschleudern von einem der

Planeten führen können. Die dynamische Analyse lässt vermuten, dass dadurch die

Bahnneigungen zu erklären sind. Weshalb jedoch ein Planet hinausgeschleudert worden sein

könnte, ist unklar.

,,Wahrscheinlich ist Ypsilon Andromedae ähnlich entstanden wie unser Sonnensystem, doch

die Endphase könnte etwas anders verlaufen sein, was die beobachteten Unterschiede erklärt“

(B. McArthur)65. Der Astronom G. Wuchterl schlägt hingegen vor, die Entwicklung eines

62 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.29 63 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.28 64 https://www.spektrumdirekt.de/artikel/1034364&_z=798889 65 http://www.astronews.com/news/artikel/2010/06/1006-001p.html

18

Planetensystems als Erosionsprozess zu verstehen. Im Laufe der Zeit schwemmen planetare

Wechselwirkungen Körper ohne festen Platz aus und so wird das System mit zunehmendem

Alter zunehmend stabiler. Vielleicht ist unser System nur so (relativ) stabil, da es schon älter

ist. Dafür spricht auch, dass viele der bisher untersuchten Exoplanetensysteme an der Grenze

zum Chaos liegen, wenn auch das Ypsilon Andromedae-System ein ,,extremes Beispiel“

dafür ist.66

66 STERNE UND WELTRAUM 11 (2010), S.29

19

3. Komplexität der Astronomie

Die Erforschung des Ypsilon Andromedae-Systems zeigt deutlich, wie es von den Anfängen

einer Entdeckung über die ersten Messungen langsam zu der Entstehung eines differenzierten

Bildes kommt. Es zeigt auch, dass Messmethoden und erhobene Daten stets kritisch betrachtet

und hinterfragt werden müssen, wenn schon solche einfachen Grundannahmen, wie das

Verhältnis der Planetenmassen, durch neuere Messungen in Frage gestellt werden müssen. So

ist es fraglich, ob die in meiner Arbeit zusammengefassten Daten in 10 Jahren noch ihre

Gültigkeit haben werden. Denn je weiter das Wissen voranschreitet, desto mehr Fakten

müssen berücksichtigt werden, um ein in sich schlüssiges Bild der Realität zu zeichnen und

desto komplexer wird die Astronomie.

Bezüglich der Idee nach einem System zu suchen, das dem unseren ähnlich ist, musste ich

feststellen, dass das Ypsilon Andromedae-System sehr viele Unterschiede aufweist.

Grundvoraussetzungen, die in unserem Sonnensystem als selbstverständlich angenommen

werden, müssen nicht unbedingt auch in anderen Systemen gelten. Und somit kann man wohl

sagen, dass unser Sonnensystem nicht das Maß aller Dinge ist.

Die eingangs gestellte Frage nach außerirdischem Leben auf dem Ypsilon Andromedae-

System kann man ziemlich sicher verneinen, da ein Leben nach unseren Vorstellungen schon

auf Grund der Temperaturen und mangels fester Oberfläche auf den Planeten nicht möglich

ist. Doch wer weiß, welche Überraschungen der Weltraum noch in sich birgt und Leben in

uns unbekannter Form kann nie ausgeschlossen werden!

20

4. Literaturverzeichnis

4.1 Zeitschriften / Bücher

Bryant, G., Unsere nächsten Nachbarn, in: ASTRONOMIE HEUTE Juli / August (2007), S.

46-48

Dvorak, R. u.a., Stability of Planetary Orbits in Double Stars, in: Proceedings of the First

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WELTRAUM 11 (2010), S. 28-29

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JOURNAL 715 (2010), S. 1203-1220

4.2 Internetadressen

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strasbg.fr/viz-bin/VizieR-5?-out.add=.&-source=I/311/hip2&HIP=7513; Zugriff am

18.04.2011

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5. Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Himmelskoordinaten am Himmelsäquator: http://www.rainerstumpe.de/

Astro/bilder/rektasz01.jpg; Zugriff vom 29.10.2011

Abbildung 2: Himmelskoordinaten vom Beobachter aus: http://mgf-kulmbach.de/

cms/images/stories/unterrichtsfaecher/physik/hor_9.jpg; Zugriff vom 29.10.2011

Abbildung 3: Sternbild Andromeda: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/d/dc/

Sternbild_andromeda.png; Zugriff vom 29.10.2011

Abbildung 4: Ypsilon Andromedae am Nachthimmel: http://www.volkssternwarte-

marburg.de/himmel200411.htm; Zugriff vom 29.10.2011

Abbildung 5: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps F: http://www.sternwarte.uni-

erlangen.de/d_index.html; Zugriff vom 29.10.2011

Abbildung 6: Hertzsprung-Russell-Diagramm: https://lp.uni-goettingen.de/get/image/6148;

Zugriff vom 29.10.2011

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Abbildung 7: Absorptionslinienspektrum des Spektraltyps M: http://www.sternwarte.uni-

erlangen.de/d_index.html; Zugriff vom 29.10.2011

Abbildung 8: heißer Fleck an falscher Stelle: http://www.astronomie-heute.de/

artikel/1052124; Zugriff vom 29.10.2011

Abbildung 9: Vergleich der Planetenumlaufbahnen: https://www.spektrumdirekt.de/

artikel/1034275; Zugriff vom 29.10.2011

Titelbild: http://www.wissenschaft-online.de/sixcms/media.php/912/thumbnails/yps-and-b.

jpg.206747.jpg; Zugriff vom 05.11.2011

25

6. Eidesstattliche Erklärung

Ich erkläre, dass ich die Seminararbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benützt habe.

.............................................................................., den .................................................

Ort Datum

....................................................................

Unterschrift des/der Oberstufenschülers/-schülerin